Hướng dẫn bảo vệ và rơle: Chọn, cài đặt và kiểm tra rơle

Rơle bảo vệ thực sự bảo vệ những gì

Rơle bảo vệ là người đưa ra quyết định: nó đo dòng điện/điện áp (và đôi khi là tần số, công suất, trở kháng, sóng hài), áp dụng logic và đưa ra lệnh cắt tới cầu dao khi các điều kiện cho thấy có nguy cơ hư hỏng hoặc nguy hiểm về an toàn. Trong thiết kế rơle và bảo vệ thực tế, bạn bảo vệ:

• Thiết bị: máy biến áp, động cơ, máy phát điện, dây cáp, thanh cái và bộ cấp nguồn.
• Tính ổn định của hệ thống: ngăn chặn các chuyến đi xếp tầng khi có lỗi.
• Con người và phương tiện: hạn chế thời gian phóng điện hồ quang và khả năng tiếp xúc không an toàn.

Một mô hình tinh thần hữu ích là “vùng bảo vệ”. Mọi tài sản phải có ranh giới được xác định rõ ràng và sơ đồ chuyển tiếp chính, có bảo vệ dự phòng ở thượng nguồn. Mục tiêu là rơle chính sẽ ngắt trước; chỉ thực hiện các chuyến dự phòng nếu bộ phận bảo vệ chính hoặc cầu dao bị hỏng.

Chức năng chuyển tiếp cốt lõi bạn sẽ sử dụng thường xuyên nhất

Rơle số hiện đại thực hiện nhiều chức năng trong một thiết bị. Sau đây là các khối xây dựng phổ biến trong các ứng dụng bảo vệ và chuyển tiếp, cùng với những gì chúng giỏi:

Nếu bạn cần điểm khởi đầu cho nhiều hệ thống công nghiệp và thương mại, gói sự cố chạm đất quá dòng pha kết hợp với các đường cong thời gian được phối hợp tốt thường là đường cơ sở hiệu quả nhất về mặt chi phí—sau đó bổ sung các sơ đồ vi sai, giảm flash hồ quang hoặc hỗ trợ truyền thông trong đó rủi ro và mức độ nghiêm trọng phù hợp với điều đó.

Thiết kế sơ đồ bảo vệ: Vùng, tính chọn lọc và dự phòng

Triết lý bảo vệ và chuyển tiếp thực tế phải trả lời ba câu hỏi cho từng loại lỗi: “Ai ngắt trước?”, “Nhanh như thế nào?” và “Ai sẽ hỗ trợ nếu lỗi đó?” Hệ thống phân cấp cổ điển là:

• Bảo vệ sơ cấp: bao phủ vùng nhỏ nhất và di chuyển nhanh nhất.
• Sao lưu cục bộ: logic lỗi bộ ngắt sẽ ngắt các bộ ngắt ngược dòng nếu bộ ngắt cục bộ không xóa.
• Sao lưu từ xa: quá dòng/khoảng cách trễ thời gian chuyển tiếp ngược dòng sẽ xóa lỗi nếu sơ đồ cục bộ không thành công.

Biên độ phối hợp bạn nên lập kế hoạch

Để phối hợp quá dòng theo thời gian, các kỹ sư thường nhắm mục tiêu khoảng thời gian phối hợp bao gồm dung sai thời gian vận hành rơle, thời gian ngắt cầu dao và các hiệu ứng nhất thời CT/rơle. Trong nhiều cài đặt trường, phạm vi bắt đầu thực tế là 0,2–0,4 giây giữa các thiết bị hạ lưu và thượng nguồn ở cùng mức dòng điện sự cố (điều chỉnh dựa trên tốc độ máy cắt và loại rơle).

Kiểm tra nhanh “ranh giới khu vực”

Trước khi hoàn tất cài đặt, hãy xác minh từng ranh giới vùng có ý nghĩa vật lý: vị trí CT, vị trí cầu dao và ngắt kết nối phải căn chỉnh. Nhiều thao tác sai xảy ra khi bản vẽ hiển thị một ranh giới nhưng hệ thống dây điện hoặc bộ ngắt CT lại thực hiện một ranh giới khác.

Máy biến áp và hệ thống dây điện: Điểm thất bại tiềm ẩn

Hiệu suất bảo vệ và rơle bị hạn chế bởi chuỗi đo lường. Nếu rơle không bao giờ “nhìn thấy” lỗi một cách chính xác thì bạn sẽ không thể cứu được dù có cài đặt tinh tế đến mức nào.

Máy biến dòng (CT): độ chính xác và độ bão hòa

Độ bão hòa CT có thể làm trễ hoặc làm biến dạng dòng điện khi có sự cố cao, đặc biệt đối với các phần tử vi sai và tốc độ cao. Các biện pháp giảm thiểu thực tế bao gồm:

• Sử dụng các lớp CT phù hợp với nhiệm vụ bảo vệ và dòng điện sự cố dự kiến (bao gồm cả phần bù DC).
• Giữ gánh nặng thứ cấp ở mức thấp: chạy ngắn, kích thước dây dẫn chính xác, các đầu nối chắc chắn.
• Xác thực độ phân cực và tỷ lệ trên mỗi CT; một CT đảo ngược duy nhất có thể đánh bại khả năng bảo vệ vi sai.

Máy biến điện áp (VT/PT): hợp nhất và logic mất điện thế

Lỗi cầu chì VT có thể bắt chước lỗi điện áp thấp hoặc lỗi khoảng cách. Sử dụng tính năng giám sát mất điện năng nếu có và đảm bảo các phương pháp kết hợp thứ cấp VT phù hợp với mong đợi của chương trình của bạn. Nếu rơ-le của bạn sử dụng phân cực điện áp, hãy xác nhận cách thức hoạt động của nó khi bị mất VT để không tạo ra tình trạng ngắt điểm mù hoặc phiền toái.

Một quy tắc thực tế: nếu bạn thấy các thao tác không giải thích được, hãy kiểm tra hệ thống dây điện CT/VT, gánh nặng, cực tính và nối đất trước khi bạn thay đổi cài đặt. Trong nhiều cuộc điều tra, nguyên nhân gốc rễ là hành vi của hệ thống dây điện hoặc máy biến áp , chứ không phải bản thân phần tử bảo vệ.

Quy trình cài đặt rơle thực tế với một ví dụ đã hoạt động

Dưới đây là quy trình làm việc thực tế mà bạn có thể áp dụng để bảo vệ quá dòng cho bộ cấp nguồn. Nó không thể thay thế cho một nghiên cứu phối hợp đầy đủ nhưng nó ngăn ngừa những lỗi phổ biến nhất.

Quy trình làm việc từng bước

1. Thu thập dữ liệu hệ thống: một đường dây, trở kháng máy biến áp, kích thước dây dẫn, loại cầu dao, tỷ lệ CT và phương pháp nối đất.
2. Tính toán các kỳ vọng về tải và khởi động: nhu cầu tối đa, khởi động động cơ, cấp điện cho máy biến áp.
3. Tính toán mức độ lỗi tại các bus chính (tối thiểu và tối đa): bao gồm các biến thể nguồn và đóng góp của động cơ nếu có.
4. Lựa chọn các phần tử bảo vệ: pha OC, chạm đất, tức thời, định hướng nếu cần.
5. Phối hợp các đường cong thời gian từ hạ lưu đến thượng lưu với một khoảng cách có chủ ý (không “nhãn cầu” đóng các nút giao thông).
6. Xác thực các mục tiêu bảo vệ: không ngắt khi tải bình thường, ngắt khi có lỗi trong thời gian yêu cầu, vận hành sao lưu chính xác.
7. Ghi lại mọi giả định và thiết lập cơ sở lý luận để những thay đổi trong tương lai vẫn mạch lạc.

Ví dụ hoạt động (số điển hình)

Hãy xem xét một bộ cấp nguồn 480 V có dòng điện đầy tải là 300 A và tỷ lệ CT là 600:5. Một cách tiếp cận khởi đầu phổ biến là:

• Pha thời gian đón quá dòng gần 1,25× tải tối đa dự kiến (để tránh các chuyến đi phiền toái), sau đó điều chỉnh để khởi động động cơ và đa dạng.
• Phần tử tức thời được đặt trên mức lỗi xuyên dòng tối đa (để duy trì tính chọn lọc) hoặc bị vô hiệu hóa khi tính chọn lọc là quan trọng.
• Bộ thu lỗi chạm đất được chọn để phát hiện các lỗi chạm đất ở mức độ thấp trong khi vẫn tôn trọng hệ thống nối đất; đối với hệ thống nối đất bằng điện trở, giá trị này có thể thấp hơn đáng kể so với bộ thu pha.

Ở nhiều cơ sở, việc cải thiện hiệu suất hồ quang điện ít phụ thuộc vào việc hạ thấp bộ thu tín hiệu mà phụ thuộc nhiều hơn vào việc sử dụng logic nhanh hơn trong quá trình bảo trì (ví dụ: đầu vào chế độ bảo trì) trong khi vẫn giữ nguyên sự phối hợp bình thường. Kết quả có thể bảo vệ được là: nhanh khi có người tiếp xúc, có chọn lọc khi nhà máy đang chạy .

Rơle bảo vệ hiện đại: Logic, Truyền thông và IEC 61850

Các hệ thống bảo vệ và chuyển tiếp ngày càng sử dụng các sơ đồ hỗ trợ truyền thông để cải thiện tốc độ và tính chọn lọc. Các mô hình phổ biến bao gồm cắt cho phép, sơ đồ chặn và cắt chuyển. IEC 61850 cho phép các mô hình dữ liệu được tiêu chuẩn hóa và nhắn tin tốc độ cao (ví dụ: GOOSE) có thể thay thế khóa liên động có dây cứng trong nhiều thiết kế.

Nơi truyền thông giúp ích nhiều nhất

• Bảo vệ dòng: xóa nhanh hơn với các sơ đồ cho phép so với phân loại thời gian thuần túy.
• Phối hợp lỗi xe buýt và máy cắt: logic xác định và báo cáo sự kiện được cải thiện.
• Khả năng hiển thị hoạt động: ghi dao động và nhật ký sự kiện giúp giảm thời gian khắc phục sự cố sau các chuyến đi.

Kiểm soát cấu hình và mạng (không bắt buộc)

Bởi vì rơle hiện đại là điểm cuối có thể lập trình được nên việc kiểm soát cấu hình là một phần của độ tin cậy. Coi các tệp cài đặt và ánh xạ giao tiếp là các tạo phẩm được kiểm soát: duy trì lịch sử phiên bản, hạn chế quyền truy cập và xác thực các thay đổi thông qua quy trình kiểm tra. Một phương pháp vận hành hiệu quả là yêu cầu có sự đánh giá ngang hàng đối với bất kỳ thay đổi nào có thể làm thay đổi logic ngắt.

Thử nghiệm và vận hành: Điều “Tốt” trông như thế nào trên hiện trường

Sơ đồ bảo vệ và chuyển tiếp chỉ hoạt động tốt khi nó được vận hành thử. Rơle số cung cấp khả năng chẩn đoán phong phú, nhưng bạn vẫn cần chứng minh đường dẫn hành trình từ đầu đến cuối: cảm biến → logic → tiếp điểm đầu ra → cuộn dây ngắt cầu dao → xóa cầu dao.

Danh sách kiểm tra vận hành (thực tế)

• Xác minh độ phân cực, tỷ lệ và pha của CT; nối đất thứ cấp đã được kiểm tra và ghi lại.
• Phân cực VT và ánh xạ pha-pha/pha-trung tính chính xác; logic mất tiềm năng đã được xác minh.
• Xác minh mạch ngắt: tính liên tục của cuộn dây, nguồn DC, cảnh báo giám sát và ánh xạ tiếp điểm đầu ra chính xác.
• Thử nghiệm tiêm thứ cấp: các lần lấy mẫu, đường cong thời gian và hành vi định hướng được xác thực theo cài đặt.
• Kiểm tra toàn diện cho các chuyến đi có hỗ trợ liên lạc khi được sử dụng (bao gồm cả hành vi không an toàn khi mất liên lạc).
• Đã xác minh tính năng chụp bản ghi sự kiện: bản ghi nhiễu loạn, đồng bộ hóa thời gian và đặt tên trạm chính xác.

Tiêu chí chấp nhận thực tế là thời gian ngắt đo được (khởi động bộ ngắt đầu ra hoạt động của rơle) phù hợp với các giả định thiết kế. Đối với nhiều ứng dụng, hoạt động bảo vệ “tức thời” được kỳ vọng sẽ ở mức một vài chu kỳ tần số công suất đối với quyết định tiếp sức cộng với việc dọn dẹp cầu dao, nhưng mục tiêu chính xác phải phù hợp với cầu dao và kế hoạch phối hợp.

Khắc phục sự cố hoạt động sai: Cách ly nguyên nhân gốc nhanh

Khi rơle ngắt điện bất ngờ, cách nhanh nhất để xác định nguyên nhân gốc rễ là sử dụng một trình tự có kỷ luật để tách biệt “những gì rơle đo được” với “những gì hệ thống đã trải qua”. Trước tiên hãy sử dụng báo cáo sự kiện chuyển tiếp và biểu đồ dao động; chúng thường đáng tin cậy hơn những giả định được đưa ra sau sự việc.

Câu hỏi năng suất cao để trả lời

• Yếu tố nào được khẳng định (ví dụ: thời gian OC, tức thời, chênh lệch, điện áp thấp)?
• Các dạng sóng có hiển thị dấu hiệu lỗi thực sự không (cường độ dòng điện, độ lệch pha, chuỗi âm, dòng điện dư)?
• Rơle có được phân cực chính xác (có mặt VT, ánh xạ pha chính xác) tại thời điểm vận hành không?
• Độ bão hòa CT hoặc lỗi nối dây có thể giải thích các phép đo (dòng điện đỉnh phẳng, dòng pha không khớp) không?
• Cầu dao có thực sự mở hay bạn đã gặp phải trường hợp cầu dao bị hỏng?

Một ví dụ phổ biến: ngắt điện vi sai khi cấp điện cho máy biến áp khi chức năng hạn chế khởi động bị vô hiệu hóa hoặc bị định cấu hình sai. Một vấn đề thường gặp khác là lỗi nối đất “tiếng kêu” do dây dư không chính xác hoặc kết nối thứ cấp CT lỏng lẻo. Trong cả hai trường hợp, chỉ riêng việc thay đổi cài đặt đều có rủi ro trừ khi bạn xác nhận chuỗi đo lường là chính xác.

Chọn Rơle phù hợp cho công việc

Việc lựa chọn rơle bảo vệ phải dựa trên loại lỗi, mức độ nghiêm trọng và khả năng bảo trì—không chỉ số lượng tính năng. Hãy sử dụng các tiêu chí dưới đây để tránh mua quá mức hoặc tệ hơn là bảo vệ dưới mức.

Tiêu chí lựa chọn quan trọng trong thực tế

• Các chức năng bảo vệ cần thiết: bao gồm việc mở rộng trong tương lai (các bộ cấp nguồn bổ sung, DG, bộ ngắt dây).
• Đầu vào/đầu ra: cuộn dây ngắt, trạng thái máy cắt, khóa liên động, chế độ bảo trì, cảnh báo.
• Truyền thông: Hỗ trợ giao thức SCADA, nhu cầu IEC 61850, phương pháp đồng bộ hóa thời gian.
• Bản ghi sự kiện: độ sâu chụp dạng sóng, trình kích hoạt và khả năng truy xuất dễ dàng.
• Khả năng bảo trì hoạt động: thiết lập tính khả dụng của phần mềm, hỗ trợ mẫu và dấu chân đào tạo.

Một tuyên bố kết quả thực tế cho hầu hết các dự án là: chuẩn hóa các họ chuyển tiếp và thiết lập các mẫu bất cứ khi nào khả thi . Tiêu chuẩn hóa giúp giảm thời gian kỹ thuật, đơn giản hóa phụ tùng và cải thiện khả năng ứng phó với sự cố vì các kỹ thuật viên nhận ra các mẫu trong báo cáo sự kiện và logic.